اليوم, إن الخطوات الملحوظة في تقنيات إنترنت الأشياء جعلت الاتصالات التي كانت مستحيلة في السابق بين الأفراد والأجهزة حقيقة واقعة. لقد برزت شبكة LPWAN كموضوع ساخن في عالم إنترنت الأشياء, تقديم حلول لم يكن من الممكن تحقيقها في السابق. للنطاقات القصيرة, كان لدينا أشياء مثل واي فاي, بلوتوث, زيجبي و اخرين. ولمسافات أطول, كان هناك 2G, 3ز, 4الشبكات الخلوية G وما شابه.
ولكن إذا نظرت إلى هذه التقنيات اللاسلكية بناءً على احتياجاتها من الطاقة ونطاقها, ستلاحظ وجود فجوة في الطاقة المنخفضة, خيارات طويلة المدى. هذه هي تقنية LPWAN المتخصصة التي تناسبها تمامًا. إنه يملأ عمر البطارية القصير, فراغ المسافة الذي كان مفقودًا من مجموعة خيارات الاتصال اللاسلكي التي كانت لدينا من قبل.
ما هو LPWAN
LPWAN, أو شبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة (يُطلق عليه أحيانًا اسم LPWA) هو مصطلح جديد نسبيًا ولا يمثل معيارًا أو تقنية واحدة. في حين أن, إنه مصطلح عام يتضمن العديد من بروتوكولات الملكية والمفتوحة المصدر. المضمون, يشير LPWAN إلى عائلة من الشبكات اللاسلكية المصممة للطاقة المنخفضة, التواصل بعيد المدى بين الأجهزة.
تتراوح مسافة الاتصال لتقنيات LPWAN من بضعة كيلومترات في المناطق الحضرية إلى 10 كيلومترات إضافية في المناطق الريفية. وهذا يعني بشكل أساسي التواصل من أجل الحصول على المزيد من الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة – بمعنى آخر. نحن قادرون على تعظيم النطاق مع استهلاك أقل للطاقة. ومن المفترض ذلك في المستقبل القريب, سوف تتبنى LPWAN تطبيقًا أوسع بطريقة أكثر ابتكارًا.
الطوبولوجيا والهندسة المعمارية في تقنيات LPWAN
من البنية الطوبولوجية, يمكن تقسيم شبكات LPWAN إلى فئتين رئيسيتين: نجمة وشبكة. في هذا الصدد, عادةً ما تكون التقنيات الخلوية عالمية في هذا الصدد وتدعم التنقل. تُفضل طبولوجيا النجمة أو النجمة إلى النجمة لشبكات LPWAN على الشبكات المتداخلة نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة.
في قلب LPWAN, تتضمن المكونات الأخرى للبنية البسيطة لـ LPWAN الاتصال اللاسلكي, الإنترنت, والسحابة. تقوم المحطة الأساسية/البوابة بجمع البيانات من العديد من العقد الطرفية الموزعة عن بعد وتستجيب للمدخلات من شبكة LPWAN. المحطة الأساسية/البوابة هي الجهاز الحدودي الذي يستقبل هذه البيانات ويزيل تشكيلها ويرسلها عبر رابط توصيل TCP/IP قياسي مثل Ethernet, شبكه خلوية, إلخ, إلى خادم الخلفية.
لخدمات LPWAN العامة, يتم بعد ذلك إعادة توجيه البيانات عبر خوادم مشغل الشبكة قبل إرسالها إلى تطبيق المستخدم النهائي. في شبكات LPWAN المُدارة بشكل خاص, يمكن توجيه البيانات مباشرة إلى الواجهة الخلفية المحددة مسبقًا للمستخدم النهائي. وهذا يضمن أن بيانات جهاز LPWAN خاصة وآمنة.
معايير LPWAN: LPWA الخلوية وLPWA غير الخلوية
قبل الخوض في تقنيات LPWAN, من المهم أن نفهم الفئات الأساسية التي تندرج تحتها. يمكن تصنيف شبكات LPWAN على نطاق واسع إلى مجموعتين: العاملة ضمن نطاقات ترددية غير مرخصة (مثل LoRa وSigFox), والتقنيات الخلوية التي تعمل ضمن نطاقات التردد المرخصة والالتزام بمعايير 3GPP (مثل LTE-M وNB-IoT). أدناه, سنستكشف بعض خيارات تقنية LPWAN المنتشرة بشكل نشط.
LPWAN الخلوية (الطيف المرخص)
تتطلب شبكات LPWAN الخلوية ترخيصًا من الهيئات الحكومية أو التنظيمية وعادةً ما تستفيد من مشغلي الشبكات الحاليين’ البنية الاساسية. ومع ذلك, فهي تتطلب اتصالاً موثوقًا من جهاز إلى محطة أساسية, لذلك فهو أكثر ملاءمة للمناطق ذات الكثافة السكانية العالية مثل المراكز الحضرية, المناطق السكنية, والمجمعات الصناعية. تتضمن معايير LPWAN الخلوية EC-GSM-IoT, LTE القط. م 1 (LTE-M) وNB-IoT, تعمل ضمن طيف LTE (700ميغاهيرتز-3.5 جيجا هرتز).
إي سي-جي إس إم-إنترنت الأشياء
تم تقديم EC-GSM-IoT أو التغطية الموسعة GSM IoT في البداية بواسطة 3GPP في الإصدار 13. إنها تقنية LPWAN الخلوية المعتمدة على eGPRS, بهدف الاستفادة من شبكات الهاتف المحمول والبنية التحتية الحالية (في الغالب 2G/GSM) لإنشاء اتصالات إنترنت الأشياء عن بعد. ويستخدم طيفًا مرخصًا لتوفير اتصالات موثوقة وآمنة. بالمقارنة مع التقنيات الخلوية الأخرى, يوفر نظام GSM تغطية أوسع. نسخته المحسنة, جي بي آر إس / إيدج, يحافظ على هذه الميزة مع دعم معدلات بيانات أعلى.
إنترنت الأشياء ضيق النطاق (ملحوظة: إنترنت الأشياء)
ملحوظة: إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء ضيق النطاق) هو معيار لتكنولوجيا الراديو LPWAN تم تطويره بواسطة 3GPP لتوصيل أجهزة إنترنت الأشياء. كتقنية 3GPP CIOT, يحدد NB-IoT أيضًا الواجهة اللاسلكية لاتصالات إنترنت الأشياء مقارنةً بـ EC-GSM-IoT وLTE-M. تعمل ضمن نطاقات الطيف المرخصة, يستخدم نطاقًا تردديًا ضيقًا يبلغ حوالي 180 كيلو هرتز. تم توحيد NB-IoT من خلال التعاون بين 3GPP وكبار موردي معدات الاتصالات مثل Nokia, هواوي, وإريكسون.
| التوحيد القياسي | 3جي بي بي |
| تغطية | حضري (1كم), ريفي (10كم) |
| عرض النطاق | 200 كيلو هرتز |
| تكرر | نطاقات LTE المرخصة |
LTE-M
LTE-M (LTE من آلة إلى آلة), المعروف أيضًا باسم eMTC (تعزيز الاتصالات من نوع الآلة), هي تقنية 3GPP LPWAN IoT أخرى مستمدة من LTE. وهو يدعم معدلات بيانات أعلى والتنقل (يصل إلى 350 كم/ساعة) مقارنة بـ NB-IoT. يعمل LTE-M في نطاق مرخص, التعايش مع 2G, 3ز, 4ز, والشبكات الخلوية 5G.
تم تسمية LTE-M في البداية باسم MTC منخفض التكلفة في إصدار 3GPP 12 وأعيدت تسميته لاحقًا إلى eMTC في الإصدار 13. أدت التحسينات عبر إصدارات 3GPP إلى توسيع قدرات LTE-M. الإصدارات 14 و 15 تمكين الدعم لمستويات التغطية المحسنة مع التنقل. يطلق 14 وأضاف VoLTE (الصوت عبر LTE) القدرة. يطلق 15 مبنية على هذه الحالات مع حالات استخدام جديدة لأجهزة إنترنت الأشياء ذات القدرة العالية على الحركة. يطلق 16 واصل التطور مع تحسينات للتعايش مع راديو 5G الجديد (ن.ر).
| التوحيد القياسي | 3جي بي بي |
| نطاق | 1-10 كم |
| عرض النطاق | 1.4 ميغاهيرتز |
| تكرر | نطاقات LTE المرخصة |
شبكة LPWAN غير الخلوية (الطيف غير المرخص)
تعمل شبكات LPWAN غير الخلوية ضمن نطاقات تردد ISM غير مرخصة ولا تعتمد على البنية التحتية لمشغل الشبكة. تقوم الأجهزة بنقل البيانات مباشرة أو من خلال بوابات إلى خوادم التطبيقات/الشبكة. إلى جانب لورا, تشمل شبكات LPWAN غير الخلوية الأخرى Sigfox, عديم الوزن, RPMA, رابط السمفونية, و ويز, DASH7, إلخ. استخدام نطاق التردد Sub-GHZ مع سرعات اتصال تتراوح من ~ 100 بت في الثانية إلى 250 كيلوبت في الثانية ومسافات من 2 كم إلى 100 كم. عادةً ما يتم نشر شبكات LPWAN غير الخلوية في المناطق النائية ذات التغطية الخلوية المحدودة, المناطق الجبلية, جزر, ولتطبيقات شبكة المؤسسة المخصصة.
لورا/لوراوان
لورا هي مواصفات PHY لمكدس البروتوكول, بالإشارة على وجه التحديد إلى تعديل Chirp Spread Spectrum الخاص الذي طورته Semtech. ال LoRaWAN يحدد المعيار بروتوكول طبقة MAC وبنية النظام التي تعمل فوق طبقة LoRa PHY, التي يحتفظ بها تحالف LoRa, الذي ينمو بسرعة مع ما يقرب من 500 الشركات الأعضاء على مستوى العالم.
تم تصميم LoRa في المقام الأول للاتصالات الصاعدة من الأجهزة الطرفية المتعددة إلى البوابات, استخدام الرسائل المشفرة عبر قنوات ومعدلات بيانات مختلفة لتقليل الاصطدامات وزيادة سعة البوابة. إنها مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تتطلب حمولات بيانات صغيرة واتصالات غير متكررة في كل من المناطق الحضرية والريفية/النائية. يمكن لبوابة LoRaWAN واحدة التعامل مع الاتصالات من العديد من العقد والأجهزة الطرفية.
| التوحيد القياسي | تحالف لورا |
| نطاق | حضري (5كم), ريفي (15كم) |
| عرض النطاق | 125 كيلو هرتز و 250 كيلو هرتز |
| تكرر | 169 ميغاهيرتز, 433 ميغاهيرتز (آسيا), 868 ميغاهيرتز (أوروبا) و 915 ميغاهيرتز (شمال امريكا) |
سيجفوكس
Sigfox هي إحدى تقنيات LPWAN غير التابعة لـ 3GPP والتي شهدت اعتمادًا واسع النطاق. إنها تقنية LPWAN خاصة سُميت على اسم شركة Sigfox التي قدمتها لأول مرة. ويستخدم راديو النطاق الضيق للغاية لتحقيق مدى طويل للغاية, اتصال إنترنت الأشياء اللاسلكي منخفض الطاقة.
ومع ذلك, يحد النطاق الترددي الضيق لـ Sigfox بشدة من قدرة الوصلة الهابطة على نقل البيانات إلى الأجهزة. وقد يؤدي النطاق الضيق للغاية إلى مشكلات تداخل محتملة. وعلى الرغم من هذه القيود, تظل Sigfox لاعبًا بارزًا في LPWAN وقد اكتسبت قوة جذب ناجحة في أوروبا.
| التوحيد القياسي | موحدة بالتعاون مع ETSI |
| نطاق | حضري (10كم), ريفي (40كم) |
| عرض النطاق | 100 هرتز |
| تكرر | 862 إلى 928 ميغاهيرتز |
عديم الوزن
مجموعة المصالح الخاصة عديمة الوزن ( عديم الوزن سيج) تأسست في 2008, تهدف إلى توحيد تكنولوجيا LPWAN. يشمل أعضاء مجموعة المروج شركة Accenture, M2COMM, ذراع, هاتفه, وسوني أوروبا.
يتكون نظام انعدام الوزن من ثلاثة أنواع مصممة خصيصًا لسيناريوهات التطبيقات المختلفة: انعدام الوزن-W, انعدام الوزن-N, وانعدام الوزن-P. يعمل برنامج Weightless-W في المساحة البيضاء للتلفزيون (TVWS) الفرقة ولها نشر أكثر تعقيدا. Weightless-N يشبه Sigfox, كونه بروتوكول النطاق الضيق الذي يعمل في النطاق غير المرخص دون جيجاهرتز, المستخدمة من قبل NWave. شاملة, لقد حظيت Weightless-N وWeightless-P بمزيد من الاهتمام والنشر مقارنةً بـWeightless-W.
رابط السمفونية
Symphony Link هو بروتوكول LPWAN تم تطويره بواسطة Link Labs, شركة عضو في تحالف LoRa. بينما تستخدم Link Labs شرائح الطبقة المادية LoRa من Semtech, لقد قاموا بتنفيذ مجموعة برامج طبقة MAC المخصصة الخاصة بهم والتي تسمى Symphony Link, بدلاً من استخدام مواصفات LoRaWAN المفتوحة.
مقارنة بمعيار LoRaWAN, تتمثل الاختلافات الرئيسية في Symphony Link في بعض إمكانات الشبكة المحسنة مثل تسليم الرسائل بشكل موثوق وتوسيع الشبكة الديناميكية عن طريق إضافة بوابات.
تطبيقات تقنيات LPWAN
LPWAN هو الفائز فيما يتعلق بالمدى واستهلاك الطاقة. يتيح استخدام LPWAN جمع البيانات من أجهزة الاستشعار عن بعد وتتبعها لمسافات طويلة. في هذا القسم, سوف نستكشف بعض حالات الاستخدام العملي.
القياس الذكي للغاز والمياه
تستخدم أنظمة قراءة العدادات الآلية شبكات LPWAN للتجميع اللاسلكي عن بعد لبيانات استهلاك المرافق بما في ذلك الكهرباء, غاز, والماء. لقد ولت الأيام التي كان يقوم فيها المشغلون بفحص البيانات وتسجيلها يدويًا. يمكن للمستخدمين أيضًا الحصول على رؤية واضحة لكمية بيانات الاستهلاك التي يستخدمونها يوميًا.
المباني الذكية
داخل المباني, يتم استخدام شبكات LPWAN عبر المناطق السكنية, تجاري, والمرافق الصناعية لجعلها أكثر ذكاءً. الإعدادات داخل المنزل, الأجهزة المنزلية الذكية مثل الأقفال الذكية, أنظمة التكييف, ويمكن دمج الإضاءة وإدارتها مركزيًا من خلال LPWAN. في المكاتب والمباني التجارية, يتيح LPWAN مراقبة إشغال المساحة وأنظمة الأمان بشكل مركزي مثل أجهزة استشعار الأبواب.
إدارة النفايات الذكية
أصبحت الإدارة الذكية للنفايات مستخدمة على نطاق واسع في مبادرات المدن الذكية. يمكن لأجهزة الاستشعار المثبتة داخل صناديق القمامة مراقبة مستويات التعبئة, نقل البيانات عبر LPWAN إلى النظام المركزي. عند الوصول إلى مستويات التعبئة المحددة مسبقًا, يتم إنشاء التنبيهات لجمعها والتخلص منها في الوقت المناسب. علاوة على ذلك, من الممكن الحصول على معلومات الموقع على شاحنات النفايات من خلال تجهيز أجهزة تتبع LPWAN بها.
مواقف ذكية
في أنظمة مواقف السيارات الذكية, تتيح تقنية LPWAN مراقبة وإدارة إشغال أماكن ركن السيارات في الوقت الفعلي. يمكن لأجهزة الاستشعار المثبتة في أماكن وقوف السيارات اكتشاف حالة الإشغال بدقة. يمكن للمستخدمين التحقق من مواقف السيارات المتاحة عبر تطبيق الهاتف المحمول والدفع عن بعد مقابل مواقف السيارات.
الزراعة الذكية
تتوسع شبكات LPWAN لتشمل أنظمة الزراعة الذكية. يمكن للمزارعين تركيب أجهزة استشعار مختلفة (الرطوبة الصلبة, درجة الحرارة, رطوبة, ضوء, إلخ) في الحقول. يمكنهم بعد ذلك جمع البيانات عن بعد من تلك المستشعرات باستخدام LoRaWAN أو شبكات LPWAN الأخرى مثل NB-IoT.
مقارنة شعبية بين LPWAN المرخصة وغير المرخصة
نظرا لتقنيات LPWAN العديدة المتاحة, الاختيار الحكيم أمر بالغ الأهمية. وفقًا لتحليلات إنترنت الأشياء’ تقديرات أبحاث السوق, بواسطة 2024, على 97% سيتم نشر أنظمة LPWAN باستخدام LTE-M, ملحوظة: إنترنت الأشياء, سيجفوكس, أو تقنيات لورا. وبالتالي, سنقوم بمقارنة الجزء العلوي 4 تقنيات LPWAN: ملحوظة: إنترنت الأشياء, LTE-M, سيجفوكس, ولورا.
جدول مقارنة بين NB-IoT وLTE-M وLoRaWAN وSigfox
| LTE-M | ملحوظة: إنترنت الأشياء | LoRaWAN | سيجفوكس | |
| هيئة المواصفات | 3جي بي بي | 3جي بي بي | تحالف لورا | الملكية |
| نطاق التردد | نطاقات LTE المرخصة | نطاقات LTE المرخصة | نطاقات ISM غير المرخصة | نطاقات ISM غير المرخصة |
| أقصى مدى | تقريبا. 10 كم | تقريبا. 10 كم | تقريبا. 15 كم | تقريبا. 40 كم |
| استهلاك الطاقة | منخفض | منخفض | منخفض | فائقة منخفضة |
| الإنتاجية | 200كيلوبت في الثانية | 1ميغابت في الثانية | 50كيلوبت في الثانية | 600بت في الثانية |
| عمر بطارية الجهاز | 10+ سنوات | 10+ سنوات | 15+ سنوات | 15+ سنوات |
| الاتصالات في اتجاهين | نعم | نعم | نعم | نعم |
| الأمان | 3جي بي بي(128-256 قليلا) | 3جي بي بي(128-256 قليلا) | AES 128 قليلا | AES 128 قليلا |
| الموقع | نعم | نعم | نعم (TDOA) | نعم (RSSI) |
| كلفة | معتدل | معتدل | منخفض | منخفض |
اتخاذ الاختيار الصحيح لشبكة LPWAN
NB-IoT هي تقنية 3GPP LPWAN التي تستفيد من شبكات LTE/GSM الحالية لتوفير اتصال منخفض النطاق الترددي لأجهزة إنترنت الأشياء. يعمل على زيادة استهلاك طاقة الجهاز, قدرة النظام, كفاءة الطيف وأداء التغطية العميقة, تناسب الصناعية, أتمتة البناء, مدينة ذكية, حالات استخدام إنترنت الأشياء لرصد الصحة والاستجابة للكوارث.
يستهدف LTE-M تطبيقات مماثلة مثل NB-IoT ولكن مع عرض نطاق ترددي أعلى لتمكين معدلات بيانات أكبر وأمان أكثر إحكامًا, على الرغم من مستويات استهلاك الطاقة الأعلى. وهو يناسب التطبيقات التي تتطلب إنتاجية أعلى مثل مراقبة الفيديو حيث تكون قيود الطاقة أقل صرامة.
Sigfox وLoRaWAN هما تقنيات غير تابعة لـ 3GPP تعمل في طيف غير مرخص. تتيح عروض النطاق الترددي الضيقة تشغيل الطاقة المنخفضة للغاية لنقل الحمولة الصغيرة بشكل غير متكرر من نقاط النهاية التي تتطلب عمر بطارية متعدد السنوات, ولكن مع قيود معدل البيانات منخفضة. يعطي Sigfox الأولوية للطاقة المنخفضة والنشر البسيط ولكنه يفتقر إلى الوصلة الهابطة لتحديثات البرامج الثابتة. يدعم LoRaWAN إدارة الأجهزة ثنائية الاتجاه بتكلفة منخفضة. وكلاهما يمكن أن يخدم الزراعة الذكية, تتبع الأصول وسيناريوهات مراقبة إنترنت الأشياء ذات الإنتاجية المنخفضة.
LPWAN هو المستقبل
باعتبارها تكنولوجيا جديدة تتطور بسرعة, إن مشهد LPWAN في حالة تطور ولم ينضج بعد. مع العديد من المشاركين في السوق, لم يتم تحديد الفائزين بشكل واضح, خاصة في ظل الوتيرة غير المؤكدة لتوسع السوق. لا يزال الأداء طويل المدى لكل متغير من LPWAN غير مؤكد أيضًا, حيث أن الكثير منها لا يزال في مراحل النشر الأولية مع عدم وجود نظام شامل, اختبار واسع النطاق في العالم الحقيقي.
حقيقة, تشير الأبحاث التي أجرتها شركة ABI Research إلى زيادة متوقعة في اعتماد أجهزة إنترنت الأشياء, مع تقدير 5.3 مليار من المتوقع أن تستفيد أجهزة إنترنت الأشياء من تقنيات LPWAN من خلال 2030. من المفترض أن LPWAN هو مجال الاتصال الأسرع نموًا داخل السوق. يقود هذا النمو الطلب على حالات الاستخدام مثل المراقبة عن بعد, والتي تتطلب عمليات نقل غير متكررة للبيانات وتشغيل يعمل بالبطارية, الخصائص التي تعتبر تقنيات LPWAN مناسبة تمامًا لمعالجتها.
احصل على أفضل أجهزة LPWAN IoT مع MOKO
كشركة رائدة في تصنيع أجهزة إنترنت الأشياء, نحن نقدم أجهزة عقدة نهائية LPWAN متعددة الاستخدامات وموثوقة. يوفر جهاز التعقب LoRaWAN وCellular الخاص بنا أداء تتبع استثنائيًا. تحدث مع خبراء إنترنت الأشياء لدينا للحصول على اقتراحات الحلول.
واصل القراءة عن LPWAN
